高光谱遥感技术在现代林业中的应用与发展

2021-12-28张诗琪

内蒙古林业调查设计 2021年1期

张诗琪

（辽宁省林业调查规划监测院，沈阳 110122）

高光谱遥感技术发展至今已经具有纳米级的超高光谱分辨率，可以借助几十或几百个波段，在同一时段内获取监测区域内的所有生物的连续光谱信息，方便快捷，因而被广泛用于现代林业的监测和管理中，推动了现代林业的发展。

1 高光谱遥感技术的概述

高光谱遥感技术就是高光谱分辨率遥感，原理是利用窄而连续的光谱通道持续对地标地物进行遥感成像的一种新型成像技术。高光谱遥感技术使用的可见光和短波红外的光谱分辨率已经达到纳米数量级。同时，高光谱遥感技术的波段多且窄，具有的光谱通道波段高达几十或几百，且各光谱通道间是相互连续的，正因如此，高光谱遥感技术又被称为成像光谱遥感，能够在电磁波谱的可见光、热红外、近红外等波段辐射范围内，获得上百个窄且连续的光谱波段信息。

2 植物高光谱的分类与识别

植物的形态学特征与化学特征使其具有独特的光谱反射特征。同时，这种特征也使得植物在感应电磁波时形成光谱反射曲线。无论是乔灌木，还是草本植物，只要生活在同一环境中，且始终保持着良好的生长状态，都具有相似的反射光谱特征。

大多数绿色植物的光谱曲线都呈现出明显的“峰和谷”特征，反射光谱曲线主要分为3段：①可见光范围(400～760 nm)内，在550 nm 处有一个小反射峰。植物特有的叶绿素是导致这种现象的主要原因。在450 nm(蓝光)和650 nm(红光)附近有一个吸收谷，具有极强的吸收作用，但受季节变化、生长环境变化以及发育状态变化等多方面因素的影响，当叶片变黄或者变红时，叶黄素、叶红素在叶片中起主导作用，植物对绿光的吸收加强，而对红光反射率增强。②近红外波段范围(760～1 300 nm)内形成一个高的反射峰，从700 nm 处反射率迅速增大至1 100 nm 附近形成一个“峰”，被称作植被“红边”。对于不同类型植物或生活环境不同的同类植物来说，“红边”的位置、高度和斜率各不相同。通过对近红外波段内反射率实行测量，可以对植物种类加以区分。1 100～1 300 nm 内反射率相对平坦，而植物细胞形态与分裂情况是出现这种现象的主要原因。③短波红外波段(1 300～2 500 nm)内反射率主要受含水量的影响，形成3个吸收谷和2个反射峰。

3 高光谱遥感技术在现代林业中的应用与发展

3.1 森林火灾监测与预防中的应用

森林火灾的发生不仅会危害森林的健康，还会波及人类的生命安全。森林火灾的发生特点，一是由于森林分布面积广，且枝繁叶茂具备一定的隐蔽性，故而导致森林火灾在发生初期并不能很快被察觉，当察觉时，火灾已经燃烧到一定程度且发生蔓延，此时若想快速扑灭难度极大。其次，由于火灾具有蔓延迅速、突发性强的特点，且受风向的影响，容易发生复燃，单纯依靠人力手持灭火设备对其进行扑灭，难以达到良好效果极易造成事故。火灾发生地的温度要远远高于周边区域，而高光谱遥感技术正是利用这一特点，对森林区域范围内的异常温况进行监测，一旦发现有火灾源头出现，便可以快速对其进行扑灭，避免不必要的牺牲和损失的产生。

3.2 森林病虫害预防与监测的应用

森林病虫是危害森林健康的罪魁祸首，会破坏生态环境平衡，给自然资源带来巨大损失。森林病虫害具有较高的隐蔽性，大多发生于植物内部，由内向外蔓延，等发现时，植物内部已经完全被病虫侵蚀，此时再对其进行治疗已经为时已晚。而高光谱遥感技术在现代林业中的应用，刚好可以解决这一问题，被病虫害侵蚀的部位与健康部位的遥感成像存在很大区别，非常容易区分，因此，利用高光谱遥感技术可以快速而准确地找出病虫害植株，可对其进行及时处理以防止病虫害的蔓延和扩散，保护森林资源免受病虫害的侵蚀。

3.3 监测森林资源的变化轨迹

森林会随着时间的变化不断进行生长和繁衍，如果相关资源信息得不到及时更新，则会使相关决策与规划合理性得不到保障，不能对森林资源进行有效管理和区分，更无法及时对森林资源进行保护，致使稀有物种灭绝。而高光谱遥感技术以其覆盖范围广、成像率高、多时相等特点，可以从技术上实现对森林资源生长变化的全天候实时监测，利于相关管理部门及时获取森林资源的变化情况，实现对森林资源的同步评估和测量，提高森林监测的精准度。

3.4 在森林信息管理上的应用

3.4.1 识别物种

森林作为可再生资源与陆地生态循环系统的主体，为人类的生存和发展提供了大量物质资源。在某种程度上保护森林资源就是保护生态环境、保护物种多样性。为更好地对森林资源进行保护，首先要正确识别森林物种，只有这样才能确保森林物种多样性的延续，维持生态平衡。由于不同物种具有不同的生长环境要求，且其属于森林生态系统循环的一部分，当生态环境中的某一环节被破坏后，必然会引发一系列的连锁反应，导致一个物种或多个物种的灭绝。因此，森林物种的多样性对森林资源保护具有非常重要的作用。然而，单纯依靠人力对森林物种进行辨别耗时又耗力，不少处于灭绝边缘的物种，可能会等不到人类的光临便在悄无声息中消失，生态系统失衡加剧。利用高光谱遥感技术可以帮助研究人员对森林物种进行分类与辨识，实现对森林物种的精细化识别，以此为森林资源物种多样性保护提供有效的数据支撑，这也是在现代森林管理中应用高光谱遥感技术的主要价值之一。

3.4.2 测量叶面指数

叶面指数指的是植物叶片在单位面积内的垂直投影面积总合，常被用来定量指示植被特征，作为研究植物生产趋势与产量的重要参数指标，同时也是监测森林水分、二氧化碳吸收量及氧气交换量的重要参数，其被广泛用在生态学领域及林业、农业的研究上。在过去的现代森林管理中，通常采用多光谱来估测叶面指数，但是多光谱数据较宽，在大范围的监测中容易与其他非监测植物的光谱混淆，且只能对被监测的植被指数进行简单统计，并不能很好地将植被指数与叶面指数联系起来，这导致监测结果不够精确。改用高光谱遥感技术后，可以有效改善这一问题，从而提高预测结果的准确度。

3.4.3 提取森林郁闭度信息

森林郁闭度信息通常被用作反应森林植物生产状况及林分密度的重要指标，是预测森林蓄积量的核心数据。在当前的高光谱遥感技术中，森林郁闭度信息是一个相对容易被提取的参数。大量的研究表明，高光谱遥感技术由于波段分辨率高且波段窄而多的特点，能够通过某成分光谱的特征变化，准确反映森林郁闭度信息，为现代森林的研究和发展提供准确度较高的信息数据。

3.5 在森林健康评价中的运用

对森林的健康状况进行评测，是森林监控评测的主要内容，为森林的管理决策、产量预测以及生态领域研究提供重要的信息数据。利用高光谱遥感技术可以获得森林植被的有效光谱信息，并在光谱上将植被各生化组分的精细光谱信息体现出来。同时，还能在光谱上反映出植被各组分的养分及水分等物质的含量及生长状况，科研人员可以以此对植被的吸收情况进行监测，分析森林土壤的性质及土壤对植被健康的影响，从而对森林的未来生长状况及健康状况进行预测，提前解决可能会影响森林健康的危害因素，保障森林植被的健康。高光谱遥感技术还可以对森林空气的受污染情况进行监测，结合森林植被的物种类型及生长情况，制定有效的“生态治污”方案，实现森林资源的可持续发展。

3.6 在现代林业中的发展方向

得益于科学技术的发展，高光谱遥感技术应用的光波窄且多，比宽波段遥感探测到更多的物质特征，极大地提高了现代森林研究的精准度和深度。因此，高光谱遥感技术要在未来的发展中，要将更多的精力用于提高高光谱遥感的探测精度，以便于能够更深一步地对森林植被的生物特征进行探测。

现阶段，我国大部分高端遥感监测设备都是从国外进口，这严重制约了我国尖端遥感技术的研究和发展。为改变这个局面，我国必须加大高光谱遥感技术软硬件设施的研究，争取早日摆脱进口国外监测仪器的被动局面。最后，要正确认识高光谱遥感技术在现代林业管理中的重要作用，将高光谱遥感领域的科研成果转化为现代林业管理与研究的驱动力，更好地对森林资源进行保护。